Tóm tắt Luận án Nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocompozit có khả năng hấp thụ sóng điện từ và chống đạn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KH&CN VIỆT NAM VIỆN HOÁ HỌC    Ngô Cao Long NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANOCOMPOZIT CÓ KHẢ NĂNG HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ CHỐNG ĐẠN Chuyên ngành : Hóa lý thuyết và Hoá lý Mã số : 62.44.01.19 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC HÀ NỘI – 2015 Công trình được hoàn thành tại: Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam  Người hướng dẫn khoa học: 1. GS.TS Nguyễn Đức Nghĩa 2. PGS. TS Ngô Trịnh Tùng Phản biện 1: GS. TS. Thái Hoàng Phản biện 2: GS. TS. Lâm Ngọc Thiềm Phản biện 3: GS. TS. Phan Hồng Khôi Luận án sẽ đư ợc bảo vệ trư ớc Hội đồng chấm luận án cấp nhà nư ớc họp tại: Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. vào hồi ...... giờ ..... ngày ...... tháng...... năm...... Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Thư viện Viện học A. GIỚI THIỆU LUẬN ÁN 1. Tính cấp thiết và mục đích nghiên cứu của luận án - Tính cấp thiết của luận án: Trong lĩnh vực an ninh, quốc phòng, việc phát triển vật liệu n nocompozit trên cơ sở sợi siêu bền gi cường các vật liệu nano nhằm tạo ra sản phẩm chống đạn cấp c o hơn luôn được quan tâm nghiên cứu. Tuy nhiên, không phải lúc nào cũng chế tạo được giáp chống lại các vũ khí sát thương c sức công phá lớn như đạn pháo, tên lử o đ các phương pháp ng tr ng luôn được quan tâm, dẫn tới sự r đời và phát triển vật liệu hấp th s ng điện từ. Thực tế, khả năng chống đạn và khả năng hấp th s ng điện từ của vật liệu compozit đều tăng theo độ dầy, cho thấy tiềm năng kết hợp hai tính chất này trong một hệ compozit duy nhất ưu việt hơn - Mục đích: Chế tạo thành công hệ vật liệu nanocompozit có khả năng chống đạn tốt, hấp th s ng điện từ tối ưu trên cơ sở vật liệu nanocompozit, polyme dẫn và vải sợi c độ bền cao nhằm ứng d ng có hiệu quả trong ngành kỹ thuật cao ph c v an ninh quốc phòng với đề tài “ h c chế ậ c c h hấ hụ đ và ch đ . 2. Nội dung nghiên cứu của luận án - Chế tạo n nocompozit trên cơ sở nanocompozit củ gr phen và ống nano cacbon với pol me ẫn (polyanilin, Polypyrol) và lự chọn hệ vật liệu c khả năng hấp th s ng điện từ tối ưu tốt nhất - Tối ưu điều kiện công nghệ chế tạo vật liệu chống đạn trên cơ sở vải sợi evl r và vải sợi c c on nền nhự epo gi cường vật liệu nanocompozit hấp th s ng điện từ. - Tính toán đư r kết cấu chống đạn tối ưu trên cơ sở mô phỏng số và bắn thử nghiệm thực tế, khảo sát khả năng hấp th s ng điện từ của vật liệu chế tạo được. 3. Ý nghĩa khoa học, thực tiễn và đóng góp mới của luận án - Đ chế tạo thành công các hệ vật liệu chống đạn trên cơ sở nanocompozit vải sợi c c on epo gi cường graphen/ và n nocompozit vải sợi evl r epo gi cường graphen/PPy với c ng chế độ công nghệ tối ưu và khảo sát khả năng chống đạn củ chúng, từ đó lựa chọn được kết cấu chống đạn tối ưu 2 - Chế tạo được hệ vật liệu nanocompozit trên cơ sở vải sợi evl r vải sợi c c on nền nhự epo gi cường graphen-PPy có khả năng hấp th s ng điện từ tốt. - Vật liệu n nocompozit t hợp vải sợi cacbon/Kevlar/epoxy/ gr phen- c khả năng hấp th s ng điện từ và chống đạn súng súng tốt ết uả của luận án mở r hướng nghiên cứu vật liệu mới ứng ng trong chế tạo giáp chống đạn bền hơn nhẹ hơn đồng thời c khả năng ng tr ng hiệu uả cho các phương tiện cá nhân khí tài u n sự tránh bị phát hiện bởi r đ ăng X nhằm nâng cao hiệu quả tác chiến khi chiến đấu, ph c v thiết thực cho công tác đảm bảo an ninh quốc phòng. 4. Bố cục của luận án Luận án gồm 129 tr ng được trình bày trong 5 phần: Mở đầu 3 trang; Chương 1 T ng quan 36 tr ng; Chương 2 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 13 tr ng; Chương 3 Nghiên cứu, khảo sát tính chất của các hệ vật liệu sử d ng làm giáp chống đạn 64 trang; Kết luận chung 1 trang và tài liệu tham khảo 11 trang. B. NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN Chương 1. Tổng quan Đ tập hợp 105 tài liệu tham khảo về các nội ung và đối tượng nghiên cứu của luận án gồm: vật liệu nanocompozit, vật liệu hấp th sóng điện từ, vật liệu compozit chống đạn; t ng quan về nghiên cứu vật liệu chống đạn và hấp th s ng điện từ, và rút ra kết luận như s u: - Vải sợi evl r sợi c c on và compozit củ chúng được sử ng ph iến trong chế tạo giáp chống đạn cá nh n và các phương tiện chiến đấu - Vật liệu nanocompozit của CNT và graphen với polyme dẫn (polypyrol, polyanilin) có tính chất điện môi tốt độ dẫn điện cao, có tiềm năng ứng d ng chế tạo vật liệu hấp th s ng điện từ. - Luận án sử d ng phương pháp thử nghiệm vật liệu chống đạn theo tiêu chuẩn NIJ 01.01.06 của Hoa Kỳ và phương pháp mô phỏng số sử d ng phần mềm Autodyn Ansys 12. Chương 2. Thực nghiệm và các phương pháp nghiên cứu 2.1. Hóa chấ hiế ị 2.1.1. Hóa chấ - Ống n noc c on đ tường do Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ chế tạo bằng phương pháp CV ; Graphen N008N, Angstron 3 material, Hoa Kỳ; Vải sợi cacbon loại CF3327, Hankuk Carbon, Hàn Quốc; Vải sợi Kevlar A802F, Dupont, Hoa Kỳ; Nhựa epoxy loại Epikote 815, Shell Chemical, Mĩ; Pyrol (98%), erck Đức; Anilin (98%) erck Đức; Sắt (III) clorua hexahydrat (>99%) erck Đức và một số hóa chất khác. 2.1.2. Thiế ị ụng cụ Thiết bị chế tạo: máy ép thủy lực có gia nhiệt loại 30 tấn, Carver, Hoa Kỳ và loại 150 tấn nch ng Đài Lo n; Tủ sấy và tủ sấy hút chân không emert Đức; Máy khuấ cơ má khuấy từ gia nhiệt, bể rung siêu âm SW60H; Khuôn chế tạo pha nền; khuôn ép thủy lực. Thiết bị nghiên cứu: á đo ph hồng ngoại FT-IR IMPACT- 410; á đo ph raman LabRAM HR, Horiba, Nhật; Máy kéo nén uốn đ năng Tinius Olsen H100 KT, Hounfield, Anh, Máy phân tích nhiệt DSC, TGA Labsys, Stearam, Pháp; Kính hiển vi điện tử quét (SEM) Hitachi S4800, Nhật Bản; á đo độ dẫn eithle picometer Đức ; á đo độ bền va đập Radmana ITR 2000, Úc. Thiết bị xác định khả năng chống đạn: Súng ngắn K54, súng tiểu liên AK47 sử d ng đạn lõi thép tương ứng 7,62 x 25 và 7,62 x 39 mm do Nga sản xuất; thiết bị đo sơ tốc đầu đạn Prochrono Digital Chronograph, vật liệu đo độ lún theo tiêu chuẩn NIJ 01.01.06, Hoa Kỳ; Hệ máy tính và phần mềm mô phỏng số Autodyn Ansys 12.0, Hoa Kỳ. 2.2. hương pháp chế o Chế tạo nanocompozit PANi/CNT, graphen/PANi, polypyrol/CNT, graphen/PPy bằng phương pháp tr ng hợp in-situ trong dung dịch với chất doping DBSA. Chế tạo compozit vải sợi c c on epo , compozit vải sợi evl r epoxy, nanocompozit cacbon/epoxy/graphen-PPy (CEGPY), Kevlar/ epoxy/graphen-PPy (KEGPY), nanocompozit t hợp cacbon/Kevlar/ epoxy/graphen-PPy bằng phương pháp h i gi i đoạn. Gi i đoạn 1 gel hoá một phần nhựa nền, phân bố nhựa nền vào sợi c c on và ép đu i khí, giai đoạn 2 ép áp lực cao, nhiệt độ cao để định hình và đ ng rắn hoàn toàn tấm vật liệu. 2.3. Các phương pháp nghiên cứ Xác định độ dẫn của vật liệu, Xác định khả năng hấp th s ng điện từ, Hiển vi điện tử quét (SEM), Ph hồng ngoại FT-IR, Ph Raman, Xác 4 định tính chất cơ học, Phân tích nhiệt, Xác định hàm lượng phần gel, Mô phỏng khả năng chống đạn của vật liệu, Bắn thử nghiệm thực tế theo tiêu chuẩn Chương 3. Kết quả và thảo luận 3.1. Chế t o nanocompozit MWCNT và graphen với PPy, PANi 3.1.1. Khảo sát vật liệu MWCNT và graphen Hình 3.1. Ảnh FESEM của mẫu MWCNT mẫu CNT ban đầu (a), mẫu CNT sau khi rung siêu âm (b) của graphen độ phóng đại 10.000 lần (c), 60.000 lần (d) Hình 3.2. Phổ Raman của graphen và MWCNT 3.1.2. Khảo á điều kiện chế t o Hình 3.3. Ảnh hưởng của hàm lượng DBSA đến độ dẫn của PANi và PPy Hình 3.4 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến độ dẫn của AN à Hình 3.5. Ảnh hưởng của hàm lượng MWCNT à graphen đến độ dẫn của PANi và PPy Khảo sát điều kiện tối ưu chế tạo nanocompozit của PANi, PPy với graphen và MWCNT là hàm lượng DBSA 15% với PANi, 20% với PPy, 0 5 10 15 20 25 30 35 0 5 10 15 20 25 30 Đ ộ ẫ n ( S /c m ) Hàm lượng DBSA (%) PPy PANi 0 5 10 15 20 25 30 35 0 2 4 6 8 10 12 Đ ộ ẫ n ( S /c m ) Thời gian phản ứng (giờ) PPy (b) (d) (a) (c) D G 2D D G 2D 5 thời gian phản ứng 8 giờ hàm lượng MWCNT và graphen là 4% với PANi, 5% với PPy. 3.1.2.4. Khảo sát tính chấ n n c g h n ới PPy Hình 3.6. Phổ FTIR của PPY (a), nanocompozit MWCNT/PPy (b) và graphen/PPy (c) Hình 3.7. Ảnh SEM của nanocompozit MWCNT/PPy (a), graphen/PPy (b) 3.1.3. Khả năng hấp thụ óng điện từ của nanocompozit Hình 3.8 Tổn ha hấp thụ sóng đ ện từ của các nanocompozit Kết quả khảo sát cho thấy các mẫu n nocompozit đều cho độ hấp th tốt trên dải tần số từ 8-12 GHz. Qua so sánh thấy rằng mẫu nanocompozit graphen/PPy có khả năng hấp th s ng điện từ tốt nhất độ ẫn điện c o -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 4 5 6 7 8 9 10 11 12 T ổ n h a o h ấ p h ụ ( d B ) Tần ố (GHz) MWCNT/PPy Graphen/PPy MWCNT/PANi Graphen/PANi (a) (a) (b) (c) (b) 6 nhất o vậy luận án sử d ng nanocompozit graphen/PPy trong các nghiên cứu tiếp theo với các điều kiện công nghệ chế tạo tối ưu ở hàm lượng DBSA 20%, thời gian phản ứng là 8 giờ hàm lượng gr phen là % cho độ dẫn đạt 48 S/cm và khả năng hấp th s ng điện từ cao nhất ở 10 GHz với - 32 dB. 3.2. Chế t o nanocompozit vải sợi cacbon/epoxy/graphen/PPy (CEGPY) 3.2.1. Khảo sát nhựa nền epoxy Ảnh hưởng củ h lượng chấ đóng ắn DDM Hình 3.9. Ảnh hưởng của hàm lượng DDM đến hàm lượng phần gel của nhựa epoxy Epikote 815 ở 80oC Hình 3.10. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hàm lượng phần gel của hệ nhựa Epikote 815/DDM nh T nh hất ơ học của ep x đã đóng rắn bằng DDM ở hàm lượng khác nhau Từ kết quả trình bày tại hình 3.9, 3.10, 3.11 cho thấ điều kiện công nghệ chế tạo nhựa nền epo là hàm lượng chất đ ng rắn DDM ở 22% (PKL), nhiệt độ đ ng rắn 150 o C chế tạo compozit. 3.2.1.1. Ảnh hưởng củ h lượng nhự xy, h lượng graphen- PPy đến ính chấ cơ học củ CEGPY nh 2. Ảnh hưởng của hàm lượng nhựa epoxy đến tính chất ơ học của CEGPY nh 3. Ảnh hưởng của hàm lượng GPY đến tính chất ơ học của CEGPY Kết quả trình bày tại hình 3.12, 3.13 cho thấy tính chất cơ học của CEG Y đạt giá trị tối ưu ở hàm lượng nhự 30% hàm lượng GPY trong nhựa epoxy là 3% (PKL). 7 3.2.1.2. Ảnh hưởng củ đ ều kiện g công đến tính chấ cơ học của CEGPY Kết quả trình bày tại hình 3.14, 3.15, 3.16 cho thấ điều kiện công nghệ chế tạo n nocompozit CEGPY tối ưu ở hàm lượng nhự epo là 30% L hàm lượng G Y trong nhựa epo là 3% L Tăng nhiệt độ và áp lực ép để định hình và đ ng rắn hoàn toàn tấm vật liệu ở áp lực ép 150 kg/cm 2 , thời gian ép 90 phút, nhiệt độ ép 150 o C. Kết quả khảo nghiệm cho thấ tính chất cơ l của vật liệu CEG Y đạt được ở điều kiện tối ưu là: độ ền kéo đứt 3 3 độ ền uốn 2 độ ền v đập 182 kJ/m 2 mô đun kéo đứt là 36 GPa. Hình 3.14. Ảnh hưởng của nhiệt độ ép đến tính chất ơ học của CEGPY Hình 3.15. Ảnh hưởng của thời gian p đến tính chất ơ học của CEGPY Hình 3.16. Ảnh hưởng của áp suất ép đến tính chất ơ học của CEGPY Tính chất của CEGPY Kết quả phân tích nhiệt cho thấ N nocompozit CEG Y c nhiệt độ ph n hủ c o hơn compozit c c on epo nh 17. Giản đồ phân tích nhiệt khố lượng của compozit ca b n ep x à CEGPY 8 nh 18 Ảnh FESEM ủa mp t a b n ep x a C b 3.3. Chế t o nanocompo i vải ợi K vla / po /G (K G ) Hình 3.19. Ảnh hưởng của hàm lượng nhựa đến tính chất ơ học vật liệu KEGPY Hình 3.20. Ảnh hưởng của hàm lượng đến tính chất ơ học vật liệu KEGPY Kết quả cho thấy, vật liệu EG Y đạt tính chất cơ học tốt nhất ở hàm lượng nhự epo đạt 30% hàm lượng graphen-PPy trong nhựa epoxy là 30%. Công nghệ chế tạo EG Y luận án đ khảo sát và kết uả tương tự như củ EG Y Điều kiện công nghệ như nh u sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho chế tạo compozit t hợp cả hai loại vải cacbon và vải Kevlar. Tính chất cơ l tối ưu củ vật liệu n nocompozit EG Y là: độ ền kéo đứt 33 độ ền v đập k m 2 độ ền uốn 2 0 mô đun đàn hồi 2 G độ n ài khi đứt % 3.3.3. Tính chất của KEGPY 3.3.3.1. Phân tích nhiệt Kết quả cho thấy, n nocompozit EG Y c nhiệt độ ph n hủ c o hơn compozit evl r epo (a) (b) 9 nh 1. Giản đồ phân tích nhiệt khố lượng mp t e lar ep x à nh há học của KEGPY nh 22 Ảnh S M ủa compozit Kevlar/epoxy (a) và KEGPY (b) 3.4. ủa các vật li u nanocompozit 3.4.1. Ảnh hưởng hàm lượng G đến khả năng hấp thụ óng điện từ a. Vật liệu KEGPY nh 23 hả n ng hấp thụ sóng đ ện từ ủa the hàm lượng GPY ở tần số -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 T ổ n h a o h ấ p h ụ ( d B ) Hàm lượng GPY (%) -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 T ổ n h a o p h ả n ( B ) Hàm lượng GPY (%) (a) (b) 10 Kết quả cho thấy, compozit Kevlar/epoxy có khả năng hấp th s ng điện từ không đáng kể hi gi cường graphen/PPy vào vật liệu này sẽ làm tăng khả năng hấp th s ng điện từ củ vật liệu EG Y, tối ưu ở giá trị 5%. Điều này phù hợp với kết quả khảo sát tính chất cơ l b.Vật liệu CEGPY nh hả n ng hấp thụ sóng đ ện từ ủa C the hàm lượng GPY ở tần số Kết quả cho thấy, với hàm lượng GPY 3% trong CEGPY thì cho khả năng hấp th sóng điện từ tối ưu ph hợp với kết quả cơ học. 3. .2. Khả năng hấp hụ óng điện ừ của vậ liệ nanocompo i ên ải 8 – 12 GHz nh 29 S s nh hả n ng hấp thụ sóng đ ện từ ủa C C Kết quả so sánh khả năng hấp th s ng điện từ của các mẫu nanocompozit cho thấy C EG Y c t n h o hấp th và t n h o phản ạ rộng hơn so với h i vật liệu KEGPY và CEGPY. -33 -31 -29 -27 -25 -23 -21 -19 -17 -15 0 1 2 3 4 5 T ổ n h a o h ấ p h ụ ( B ) Hàm lượng G (%) -42 -37 -32 -27 -22 -17 -12 0 1 2 3 4 5 T ổ n h a o p h ả n ( B ) Hàm lượng G (%) -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 8 9 10 11 12 Tổ n h ao h ấp t h ụ ( d B ) Tần số (GHz) KEGPY CEGPY CKEGPY -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 8 9 10 11 12 Tổ n h ao p h ản x ạ( d B ) Tần số (GHz) KEGPY CEGPY CKEGPY 11 3.5. Khảo sát khả năng chống đ n 3.5.1. Xác định khả năng chống đ n của vải sợi xếp lớp 3. 5.1.1. Mô phỏng số a. Khả năng chống đạn của vải Kevlar - Thiết lập thông số mô phỏng củ đầu đạn: đầu đạn 7,62x25 mm sử d ng cho súng K54 có khối lượng củ đầu đạn là 5,50g và thiết đặt tốc độ đạn khi va chạm là 420 m/giây. Mô hình thiết kế mô phỏng viên đạn được mô tả tại hình 3.30. Đầu đạn thực b. Thiết kế viên đạn c. Nửa mẫu d. Mẫu đầ đủ Hình 3.30 Đầu đạn 7,62x25 mm của súng K54 Đầu đạn 7,62x39 mm sử d ng cho súng AK47 có kết cấu gồm 3 lớp: phần lõi là thép cứng có tác d ng xuyên, lớp bọc bên ngoài bằng đồng tạo thành mũi đạn; giữa lõi và vỏ ngoài là một lớp chì mỏng. Khối lượng của đầu đạn là 7,97g và thiết đặt tốc độ đạn khi va chạm là 715m/giây. Mô hình thiết kế mô phỏng viên đạn được mô tả tại hình 3.31. Đầu đạn thực tế b. Thiết kế đầu đạn c. Nửa mẫu d. Mẫu đầ đủ Hình 3.31 Đầu đạn 7,62x39 mm ủa s ng A - Nhập dữ liệ đưa a kết quả mô phỏng * Xây dựng các thông s vật li u 12 Mô hình vật liệu của vải Kevlar là phương trình trạng thái trực hướng (orthotropic), mô hình bền tuyến tính, mô hình phá hủy ứng suất/biến dạng m teri l stress str in phương pháp chi lưới Lagrange cho mẫu vật liệu này. Hình 3.32. Mô hình mô phỏng hình họ à h a lưới của đầu đạn súng K54 và AK47 va chạm vào tấm chắn vải Kevlar Tấm vải chống đạn là một tấm vuông 100 100 mm Luận án lự chọn g c v chạm giữ đầu đạn và tấm chắn là 90 o ô hình chi lưới hình học của vật liệu n đầu của các loại đạn va chạm vào các tấm chắn được trình bày tại hình 3.32. Bảng 3.1. Mô hình và thông số vật liệu của vải Kevlar 129 Nội dung nhập dữ liệu Số liệu nhập hương trình trạng thái Trực hướng Mô hình bền Tuyến tính Độ ền kéo đứt k 4,15.105 ô đun kéo đứt k 11,3.107 Độ dãn dài, % 4,7 Khối lượng riêng, g/cm3 1,4 Mô hình phá hủy Ứng suất/biến dạng chính hương pháp chi lưới Lagrange Nhiệt độ phá huỷ, K 800 Chu kỳ giới hạn, vòng lặp 106 Thời gian va chạm tối đ gi 0,2 Bước thời gian nhỏ nhất, giây 10-15 Bước thời gian lớn nhất, giây 108 Hệ số an toàn 0,67 - Kết quả mô phỏng Kết quả mô phỏng cho thấ viên đạn xuyên thủng và phá hủy hoàn toàn 63 lớp vải Kevlar, tấm vải c u hướng bị hỏng một phần kết cấu, tạo 13 ra sự giãn tách lớp giữa các lớp vải và hình thành một hình nón cao ở phía sau mặt tấm vải Kevlar. Hình 3.33. Mô phỏng quá trình va chạm của đầu đạn súng K54 theo thời gian khi va chạm với tấm vải Kevlar nh nh ảnh m phỏng hả n ng hống đạn s ng A ủa tấm g p ải Kevlar xếp lớp b. Khả năng chống đạn của vải sợi cacbon xếp lớp - Thông số mô phỏng tấm giáp vải cacbon X ựng mô hình và chi lưới tấm chống đạn như trong m c Thông số mô phỏng của tấm giáp vải cacbon xếp lớp, thiết lập điều kiện chạ như trong ảng 3.2. Bảng 3.2. Thông số mô phỏng giáp vải cacbon Nội dung nhập dữ liệu Số liệu nhập hương trình trạng thái Trực hướng Mô hình bền Đ hướng Độ ền kéo đứt k 4,8x105 ô đun kéo đứt k 22,7x107 Độ dãn dài, % 0,8 Khối lượng riêng, g/cm3 1,83 Mô hình phá hủy Ứng suất/biến dạng chính hương pháp chi lưới Lagrange Nhiệt độ phá huỷ, K 900 Chu kỳ giới hạn, vòng lặp 106 Thời gian va chạm tối đ gi 0,2 Bước thời gian nhỏ nhất, giây 10-15 Bước thời gian lớn nhất, giây 108 Hệ số an toàn 0,67 - Mô phỏng số va ch m đầ đ n súng K54 và AK với giáp vải cacbon xếp lớp Động năng củ đầu đạn về giá trị 0 chứng tỏ n đ ị ừng lại hoàn toàn Vận tốc củ đầu đạn đạt giá trị -12 m/giây chứng tỏ n đ ị bật trở lại c o hơn so với vải evl r s u đ ừng hẳn do lực ma sát lỗ ết uả 14 cho thấ tấm vải sợi c c on c khả năng chống đạn với số lớp ị xuyên thủng là 0 lớp Hình 3.35. Mô phỏng quá trình va chạm của đầu đạn súng K54 the thờ g an ớ vải cacbon xếp lớp nh M phỏng quá trình va chạm à đồ thị động n ng a hạm với tấm giáp vải cacbon xếp lớp Kết quả cho thấy tấm giáp vải c c on c khả năng chống đạn súng AK47 với số lớp ị u ên thủng là 1 0 200 lớp vải 3.5.1.2. Khảo sát khả năng chống đạn của vải xếp lớp bằng bắn thử nghiệm thực tế Hình 3.37. Súng K54 (a), súng AK47 (b) sử dụng trong bắn thử nghiệm thực tế Mẫu thử nghiệm được chế tạo từ các lớp vải Kevlar, cacbon có kích thước 25x30 cm. Tiến hành thử nghiệm khả năng chống đạn lõi thép có kích thước 7,62x25 mm củ súng và 2 3 mm củ súng hương pháp thử nghiệm theo tiêu chuẩn NIJ 01.01.04 của Hoa Kỳ với các thiết bị đo sơ tốc đạn i đo độ lún tiêu chuẩn ột số thông số mẫu thử, điều kiện thử và kết quả thu được trình bày trong bảng 3.3, bảng 3.4 với vải sợi Kevlar; bảng 3.5, bảng 3.6 với vải sợi cacbon. Hình 3.38. Mẫu giáp vải cacbon và Kevlar xếp lớp (a) (b) 15 Bảng 3.3. Thông số các tấm giáp vải Kevlar xếp lớp à đ ều kiện thử nghiệm Mẫu số Số lớp vải Kích hước (cm) Trọng lượng (g) Điều kiện thử nghiệm Lo i súng Lo i đ n (mm) Số lần bắn (lần) Cự ly bắn (m) 1K 80 25x30 1140 K54 7,62x25 06 5 2K 200 25x30 2850 AK47 7,62x39 06 15 Bảng 3.4. Kết quả bắn thử nghiệm giáp vải Kevlar Mẫu số Điểm bắn Sơ ốc đ n (m/giây) Số lớp xuyên qua Độ lún (mm) 1K 1 430 65 58,2 2 404 63 52,4 3 408 67 54,5 4 420 62 55,7 5 425 65 56,1 6 416 63 53,2 TB 417,2 64,2 55 2K 1 700 200 Thủng 2 718 200 Thủng 3 705 200 Thủng 4 721 200 Thủng 5 716 200 Thủng 6 722 200 Thủng TB 713,7 200 Thủng Hình 3.39. Kết quả bắn thử nghiệm vải Kevlar xếp lớp Đối với đạn lõi thép kích thước 7,62x25 mm bắn bằng súng K54 với sơ tốc đầu đạn trung bình là 417,49 m/giây tại mẫu số 1 tấm vải ếp lớp thủng 2 lớp mẫu không thủng nhưng độ lún cao nhất là 54,7 mm > 44 mm (theo tiêu chuẩn NIJ 01.01.04) nên vẫn chư đạt tiêu chuẩn Đối với 16 đạn lõi thép kích thước 7,62x39 mm bắn bằng súng c sơ tốc đầu đạn trung bình là 714,16 m/giây tại mẫu số 2K thì mẫu bị xuyên thủng 100% và kết cấu tấm vải bị phá hủ hoàn toàn Như vậy, với kết cấu chỉ có vải Kevlar sẽ không đáp ứng được yêu cầu chống đạn với các loại súng có sơ tốc đầu đạn lớn như súng súng Bảng 3.5. Thông số các tấm giáp vải cacbon xếp lớp à đ ều kiện thử nghiệm Mẫu số Số lớp vải Kích hước (cm) Trọng lượng (g) Điều kiện thử nghiệm Lo i súng Lo i đ n (mm) Số lần bắn (lần) Cự ly bắn (m) 1C 80 25x30 1254 K54 7,62x25 06 5 2C 200 25x30 3135 AK47 7,62x39 06 15 Bảng 3.6. Kết quả bắn thử nghiệm tấm giáp vải cacbon xếp lớp Mẫu số Điểm bắn Sơ ốc đ n (m/giây) Số lớp xuyên qua Độ lún (mm) 1C 1 416 66 51,1 2 419 68 53,3 3 410 65 48,2 4 420 67 50,1 5 421 64 47,6 6 415 65 46,5 TB 416,8 65,8 49,5 2C 1 709 173 50,5 2 718 176 52,6 3 712 175 56,2 4 719 183 57,3 5 715 184 52,1 6 720 185 55,4 TB 715,5 179,3 54 Đối với đạn 7,62x25 mm của súng K54 với sơ tốc đầu đạn trung bình là 416,8 m/giây tại mẫu số 1C tấm vải ếp lớp thủng lớp mẫu không thủng nhưng độ lún là 49,5 mm (> 44 mm) nên vẫn chư đạt tiêu chuẩn. Đối với đạn lõi thép 7,62x39 mm của súng AK47 với sơ tốc đầu đạn trung bình là 715,5 m/giây tại mẫu số 2C thì số lớp bị xuyên thủng 1 3 và độ lún là 54 mm (> 44 mm Như vậy, với kết cấu vải cacbon xếp lớp tuy có khả năng chống đạn súng nhưng vẫn không đáp ứng được tiêu 17 chuẩn cho phép. ết uả ắn thử nghiệm cho thấ ph hợp với kết uả mô phỏng số. 3.5.2. Khảo sát khả năng chống đ n của nanocompozit Thông số mô phỏng của các mẫu n nocompozit được trình bày trong bảng 3.7 Bảng 3.7. Mô hình và thông số vật liệu của nanocompozit Nội dung nhập dữ liệu KEGPY CEGPY hương trình trạng thái Trực hướng Trực hướng hương trình trạng thái kép Đ hướng Đ hướng Khối lượng riêng (g/cm3) 1,53 1,65 ôđun Young k 2,6.107 3,6.107 Hệ số dãn dài 0,0712 0,01 Nhiệt độ phân hủy 750K 750K Mô hình bền dẻo đàn hồi Jonson Holmquist Mô hình phá hủy ứng suất/biến dạng Jonson-cook Độ bền kéo đứt (kPa) 3,39. 105 3,43.105 Độ bền uốn (kPa) 2,4. 105 2,7. 105 hương pháp chi lưới lagrange lagrange Bước thời gi n nhỏ nhất 10-15 10-15 Bước thời gi n lớn nhất 106 106 Tình trạng hiển thị ức độ phá hủ củ vật liệu ức độ phá hủ củ vật liệu ố chu kì tối đ 1000000 1000000 Thời gi n tối đ 0,01 s 0,01 s Lưu kết uả 1000 chu kì 1000 chu kì 3.5.2.1. Kết quả mô phỏng vớ đạn súng K54 a. Tấm KEGPY Hình 3.40. Mô phỏng hả n ng hống đạn ủa đầu đạn súng K54 theo thờ g an a hạm ớ KEGPY Hình 3.41. Mô phỏng hả n ng hống đạn ủa đầu đạn súng K54 theo thờ g an a hạm ớ CEGPY 18 Kết quả mô phỏng uá trình v chạm củ đầu đạn súng K54 vào tấm KEGPY được trình bày tại hình 3.40. Kết quả mô phỏng khả năng chống đạn súng củ KEGPY cho thấ vật liệu c khả năng chống đạn súng với 3 0 lớp vải evl r ị u ên thủng b. Tấm CEGPY Kết quả mô phỏng quá trình va chạm đầu đạn súng K54 với tấm CEGPY cho thấ vật liệu nà c khả năng chống đạn súng với lớp vải ị u ên thủng. c. n c hợ ả ợ c c n l xy Hình 3.42 M phỏng hả n ng hống đạn à đồ thị ận tố à n ng lượng ủa đầu đạn s ng the thờ g an a hạm ớ CKEGPY ết uả mô phỏng các tấm CKEGPY với tỉ lệ vải cacbon/kevlar khác nh u được trình bày tại bảng 3.8. Kết quả khảo sát cho thấ tấm C EG Y chứ 20 lớp vải c c on 0 lớp vải evl r cho khả năng chống đạn súng tốt nhất và c số lớp u ên ít nhất Bảng hả n ng hống đạn s ng ủa nan mp t the t lệ ả cacbon/Kevlar STT Số lớp vải cac on/K vla ong nanocompozit Số lớp hủng 1 0/60 43 2 10/50 42 3 20/40 39 4 30/30 45 5 60/0 47 3.5.2. 2. Kết quả mô phỏng vớ đạn súng AK47 Kết quả mô phỏng quá trình va chạm đầu đạn súng AK47 với tấm KEGPY cho thấ viên đạn xuyên thủng và phá hủy 120/140 lớp vải 19 evl r số lớp vải ị phá hủ rất lớn ết uả mô phỏng cho thấ : tấm CEGPY c khả năng chống đạn súng đầu đạn xuyên thủng 12 lớp vải c c on trong thời gi n 10 -5 s. Hình 3.43. Mô phỏng hả n ng hống đạn súng AK47 theo thờ g an a hạm ớ KEGPY Hình 3.44. Quá trình va chạm của đầu đạn súng AK47 theo thời gian a hạm ớ tấm CKEGPY ết uả mô phỏng khả năng chống đạn súng AK47 ứng với tỉ lệ số lớp vải c c on evl r khác nh u trong C EG Y được trình à trong ảng 3 . Kết quả khảo sát cho thấ tấm C EG Y chứ 30 lớp vải c c on 110 lớp vải evl r cho khả năng chống đạn súng tốt nhất và c số lớp u ên thủng ít nhất Bảng hả n ng hống đạn ủa ật l ệu C the t lệ số lớp ả STT Số lớp vải cac on/K vla ong nanocompozit Số lớp hủng 1 0/140 120 2 20/120 118 3 30/110 115 4 50/90 120 5 70/70 125 6 140/0 128 Hình 3.45. Thử nghiệm thực tế khả n ng hống đạn 20 3.5.3. Khảo sát khả năng chống đ n ng hử nghiệm hực ế h o iê chuẩn Tiến hành ắn thử nghiệm thực tế các tấm chống đạn theo tiêu chuẩn NIJ 01.01.04, Hoa Kỳ tại trường bắn, kết quả được trình bày tại bảng 3.11 và 3.12. Bảng Đ ều kiện chế tạo, bắn thử nghiệm tấm chống đạn Mẫu số Th ng ố ấm chống đ n Điều kiện thử o i vải Số lớp vải Lo i súng Lo i đ n, mm Số lần bắn Cự ly bắn m K01 Kevlar/epoxy 60 K54 7,62x25 06 5 K1 KEGPY 60 K54 7,62x25 06 5 C1 CEGPY 60 K54 7,62x25 06 5 CK1 CKEGPY chứ 20 lớp c c on 0 lớp evl r 60 K54 7,62x25 06 5 K02 Kevlar/epoxy 140 AK47 7,62x39 06 15 K2 KEGPY 140 AK47 7,62x39 06 15 C2 CEGPY 140 AK47 7,62x39 06 15 CK2 CKEGPY chứ 30 lớp c c on 110 lớp evl r 140 AK47 7,62x39 06 15 Bảng 3.11. Kết quả bắn thử nghiệm vớ đạn 7,62x25 mm của súng K54 Mẫu số Điểm bắn Vận tốc đ n, m/giây Số lớp vải xuyên thủng, lớp Độ lún, mm K01 1 419 47 35,6 2 416 46 34,4 3 425 49 33,2 4 421 51 34,2 5 419 52 36,3 6 417 51 35,1 TB 419,5 49,3 34,8 K1 1 416 40 25,2 2 421 42 25,4 3 418 42 25,1 4 422 43 26,3 21 5 415 43 26,5 6 420 44 27,1 TB 418,7 42,3 25,9 C1 1 417 45 22,5 2 421 46 22,8 3 422 46 23,4 4 416 47 23,7 5 418 48 24,1 6 423 49 24,4 TB 419,5 46,8 23,5 CK1 1 421 37 25,2 2 417 36 24,4 3 418 38 24,1 4 415 40 25,3 5 419 42 26,6 6 422 43 27,4 TB 418,7 39,3 25,5 ết uả ắn thử nghiệm thực tế chống đạn súng cho thấy: các mẫu compozit và n nocompozit đều có khả năng chống đạn súng K54 với đầu đạn lõi thép 7,62x25 mm. Tấm CKEGPY (CK1) có hiệu quả chống đạn c o hơn 1 % so với tấm compozit Kevlar/epoxy. Hình 3.46. Kết quả bắn thực tế compozit vải Kevlar/epoxy vớ đạn súng K54 Kết quả bắn thử nghiệm cho thấy mẫu CKEGPY (CK1) bị xuyên thủng trung bình 39,3/60 lớp, còn tấm KEGPY (K1) bị xuyên thủng trung bình 42,3/60 lớp và tấm CEGPY (C1) bị xuyên thủng trung bình 46,8/60 lớp. Kết quả bắn thử nghiệm thực tế phù hợp với kết quả mô phỏng. 22 Bảng 3.12. Kết quả bắn thử nghiệm vớ đạn 7,62x39 mm của súng AK47 Mẫu số Điểm bắn Vận tốc đ n, m/giây Số lớp vải xuyên thủng, lớp Độ lún, mm K02 1 722 137 34,5 2 714 136 34,1 3 720 138 35,7 4 721 139 36,8 5 716 Thủng Thủng 6 719 Thủng Thủng TB 718,7 Thủng Thủng K2 1 715 117 27,6 2 724 118 27,2 3 721 118 28,4 4 714 120 30,2 5 720 122 31,7 6 723 124 32,9 TB 719,5 119,8 29,7 C2 1 723 128 21,1 2 719 127 22,7 3 716 127 22,1 4 724 129 24,6 5 722 130 25,5 6 721 132 27,4 TB 720,8 128,8 23,9 CK2 1 717 115 23,6 2 714 114 24,2 3 715 115 24,7 4 720 118 25,2 5 718 118 26,7 6 716 119 27,9 TB 716,7 116,5 25,4 Kết quả bắn thử nghiệm thực tế với đạn 7,62x39 mm của súng AK cho thấy: Mẫu compozit Kevlar/epoxy 140 lớp không có khả năng chống đạn, tấm CEG Y EG Y C EG Y đều có khả năng chống đạn. Kết quả bắn thử nghiệm thực tế các tấm KEGPY, CEGPY, CKEPGY với đạn 7,62x39 mm của súng AK cho thấy phù hợp với kết quả mô phỏng số. 23 Hình 3.47. Kết quả bắn thử nghiệm compozit vải Kevlar/epoxy vớ đạn súng AK47 Tấm CKEGPY c kết cấu chống đạn tối ưu cho khả năng chống đạn súng K54 và AK47 tốt nhất thích hợp chế tạo các sản phẩm giáp chống đạn như mũ chống đạn, áo giáp chống đạn, lá chắn chống đạn. 3.5.6. Đánh giá khả năng hấp thụ óng điện từ của CKEGPY Hình 3.48. Tổn hao hấp thụ và phản xạ của mẫu vật liệu CKEGPY CK1 Hình 3.49. Tổn hao hấp thụ và phản xạ của mẫu CKEGPY CK2 Kết quả cho thấy mẫu nanocompozit CK1 có khả năng hấp th sóng điện từ tốt với t n hao hấp th tốt nhất ở 10 G z đạt -36 dB và t n hao phản xạ tốt nhât ở 11 G z đạt -48,2 dB. Mẫu CK2 có t n hao hấp th tốt nhất ở 10 G z đạt -37,3 dB và t n hao phản xạ tốt nhât ở 10 0 G z đạt - 49,2 dB. (a) (b) (a) (b) 24 KẾT ẬN 1. Luận án đ chế tạo thành công các hệ vật liệu n nocompozit CNT gr phen CNT Ni gr phen Ni và khảo sát tính chất điện khả năng chịu nhiệt hình thái học củ chúng u khảo sát đ lự chọn được vật liệu tối ưu là n nocompozit gr phen với tính chất điện nhiệt và khả năng hấp th s ng điện từ tốt nhất ở hàm lượng gr phen là % 2. Đ chế tạo được các hệ vật liệu chống đạn trên cơ sở CEGPY và EG Y sử ng hệ keo đ ng rắn n ng epo Epikote 1 ở tỉ lệ 100 22 L với c ng chế độ công nghệ tối ưu ở hàm lượng nhự 30% nhiệt độ gi công 1 0 o C áp suất ép 1 0kg cm 2 thời gi n ép 0 phút àm lượng G Y tối ưu là % với CEGPY và 3% với EG Y 3. hảo sát khả năng chống đạn củ các hệ vật liệu CEGPY EG Y và C EG Y đối với đạn súng loại 2 2 mm lõi thép đạn súng loại 2 3 mm lõi thép ằng mô phỏng số trên cơ sở phần mềm uto n ns s 12 cho thấ vật liệu C EG Y c khả năng chống đạn tốt nhất ết uả ắn thử nghiệm cho thấ sự tương đồng giữ mô phỏng và thực tế Tấm chống đạn C EG Y chứ 20 lớp vải c c on 0 lớp vải evl r cho khả năng chống đạn súng tốt nhất với số lớp ị u ên thủng trung ình 3 3 lớp; tấm chống đạn C EG Y chứ 30 lớp vải c c on 110 lớp vải evl r cho khả năng chống đạn súng tốt nhất với số lớp ị u ên thủng trung ình 11 lớp. 4. hả năng hấp th s ng điện từ củ vật liệu EG Y CEG Y ở tần số 10 G z với hàm lượng G Y lần lượt là % và 3% cho kết uả hấp th tốt nhất hả năng hấp th s ng điện từ củ C EG Y là tốt nhất so với CEGPY và EG Y 5. Luận án đ sử d ng vật liệu n nocompozit gi cường cho compozit vải sợi tăng tính chất cơ học, khả năng chống đạn tăng độ dẫn tăng khả năng hấp th s ng điện từ của vật liệu. Chế tạo được vật liệu C EG Y c khả năng hấp th s ng điện từ và chống đạn súng súng tốt ết uả luận án mở r hướng nghiên cứu vật liệu mới ứng ng trong chế tạo giáp chống đạn c khả năng ng tr ng hiệu uả cho các phương tiện khí tài u n sự tránh ị phát hiện bởi r đ ăng X nhằm nâng cao hiệu quả tác chiến khi chiến đấu 25 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 1. Vũ Đình hiêm Ngu ễn Đức Nghĩ Ngô Trịnh Tùng, Ngô Cao Long, Lê Văn Th (2012), Nghiên c u kh chị ác động va ch m t c độ cao của h vật li r cơ ở phần mềm mô phỏng s Autodyn Ansys 11.0 và kiểm nghi m thực tế kh ch đ n của vật li u compozit v i sợi, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Tập 50, số 1A, tr. 309-317. 2. Ngô C o Long Lê Văn Th , Nguyễn Đức Nghĩ Ngô Trịnh Tùng, (2012), Nghiên c u chế t o và kh o sát tính chất của vật li u lai polypyrol (PPy) và sợi nanocacbon, Tuyển tập báo cáo hội nghị Vật lý chất rắn và Khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ 7, NXB Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, tr. 108-111. 3. Van Thu Le, Cao Long Ngo, Quoc Trung Le, Trinh Tung Ngo, Duc Nghia Nguyen and Minh Thanh Vu, (2013), Surface modification and functionalization of carbon nanotube with some organic compounds, Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, Vol.4 (3) 035017 (5pp). 4. Ngo Cao Long, Le Van Thu, Nguyen Duc Nghia, (2013), Fabrication and electromagnetic wave absorption of polypyrrole/clay nanocomposites, Vietnam Journal of Chemistry Vol.51 (5A), pp. 200- 204. 5. Ngo Cao Long, Le Van Thu, Ngo Trinh Tung (2013), Influence of carbon nanotubes content on the structure and properties of Kevlar/epoxy composite, Vietnam Journal of Chemistry, Vol.51 (5A), pp. 205-210. 6. Ngô C o Long Lê Văn Th , Ngô Trịnh Tùng, Nguyễn Đức Nghĩ Vũ Minh Thành (2015), Nghiên c u chế t o và kh o sát kh hấp thụ đ n t của vật li u compozit Kevlar/epoxy/PANi-MWCNT, Tạp chí Hóa học, T.53 (5e1), tr. 168-172, ISSN 0866-7144. 7. Ngo Cao Long, Bui Thi Thu Thuy, Le Van Thu, Nguyen Van Thao, Vu Minh Thanh (2015), Fabrication conditions of the optimal carbon fabric/epoxy composite using heat-curing epoxy resin, Vietnam Journal of Chemistry, Vol.53 (5e1), pp. 177-181, ISSN 0866-7144. 8. Ngô C o Long Lê Văn Th , Ngô Trịnh Tùng, Nguyễn Đức Nghĩ Chế t o và kh o sát tính chất nanocompozit graphen/polypyrol, Tạp chí Khoa học và công nghệ, T.53, ISSN 0866-708X.